基于LXI和USB的某導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 車,劉鈞圣,張延風(fēng),陳二雷,母勇民

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

反坦克導(dǎo)彈是指打擊摧毀坦克和裝甲、工事等目標(biāo)的導(dǎo)彈,在陸戰(zhàn)中發(fā)揮著非常重要的作用[1],它具有威力猛、精度高、攻擊方式多等特點(diǎn)[2]。隨著未來新技術(shù)的發(fā)展,反坦克導(dǎo)彈會(huì)向小體積、輕質(zhì)量、遠(yuǎn)射程、多模導(dǎo)引頭、多個(gè)制導(dǎo)體制的方向發(fā)展[3]。

面向未來戰(zhàn)爭(zhēng),坦克等裝甲高價(jià)值目標(biāo),反坦克導(dǎo)彈將會(huì)發(fā)揮重大作用。美俄等都在研制發(fā)展新型反坦克導(dǎo)彈,遠(yuǎn)程精確打擊是未來反坦克導(dǎo)彈的發(fā)展方向[4],我國(guó)也在研制發(fā)展某新型遠(yuǎn)距離和多模導(dǎo)引的反坦克導(dǎo)彈。

針對(duì)遠(yuǎn)距離和多模導(dǎo)引的某反坦克導(dǎo)彈,本文設(shè)計(jì)了一套基于LXI和USB的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),利用USB和LXI總線的高速、高吞吐量與擴(kuò)展性,設(shè)計(jì)了基于USB和LXI的測(cè)試盒,測(cè)試盒通過串行總線和復(fù)合目標(biāo)模擬器、車載圖傳以及衛(wèi)星模擬器連接,測(cè)試盒通過與導(dǎo)彈、車載圖傳等的通信等交互工作,快速高效地實(shí)現(xiàn)了某反坦克導(dǎo)彈的工作全流程的各部件功能與性能的測(cè)試任務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

某反坦克導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)由筆記本、USB測(cè)試盒和LXI測(cè)試盒、復(fù)合目標(biāo)模擬器、車載圖傳、衛(wèi)星模擬器等組成,系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 某測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖

某導(dǎo)彈被測(cè)試時(shí),將導(dǎo)彈放置在測(cè)試臺(tái)或振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上,各測(cè)試設(shè)備放置在便攜測(cè)試桌上,復(fù)合目標(biāo)模擬器放置在三腳架上。筆記本通過網(wǎng)線與LXI測(cè)試盒連接,筆記本通過USB線纜與USB測(cè)試盒連接,LXI測(cè)試盒通過供電輸出線纜與USB測(cè)試盒(下文將LXI測(cè)試盒和USB測(cè)試盒稱為測(cè)試設(shè)備)連接,USB測(cè)試盒通過彈尾測(cè)試線纜、彈測(cè)試接口測(cè)試線纜與被測(cè)導(dǎo)彈連接,USB測(cè)試盒通過車載圖傳測(cè)試線纜、目標(biāo)模擬器控制線纜、衛(wèi)星模擬器控制線纜等實(shí)現(xiàn)與車載圖傳、復(fù)合目標(biāo)模擬器、衛(wèi)星模擬器連接。測(cè)試過程中導(dǎo)彈的工作電源由LXI測(cè)試盒的4個(gè)程控電源保證;導(dǎo)彈的供電過程以及導(dǎo)彈CAN通信等工作交互過程由LXI測(cè)試盒、USB測(cè)試盒與筆記本共同完成,彈上信號(hào)數(shù)據(jù)、車載圖傳數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)通過USB測(cè)試盒和測(cè)試線纜采集到筆記本上。車載圖傳、復(fù)合目標(biāo)模擬器、衛(wèi)星模擬器通過RS422串行總線與USB測(cè)試盒連接,通過串口的指令傳輸數(shù)據(jù)交換,共同完成對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射前后全過程的測(cè)試任務(wù)。其中車載圖傳用于導(dǎo)彈發(fā)射后,測(cè)試設(shè)備與車載圖傳的指令交互實(shí)現(xiàn)和導(dǎo)彈的彈載圖傳的無線通信實(shí)現(xiàn)發(fā)射后流程的交互驗(yàn)證等,測(cè)試設(shè)備與復(fù)合目標(biāo)模擬器通過指令交互實(shí)現(xiàn)激光的出光、紅外電視點(diǎn)源的移動(dòng)控制等,測(cè)試設(shè)備與衛(wèi)星模擬器通過指令交互實(shí)現(xiàn)星歷數(shù)據(jù)的獲取等,從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈星歷參數(shù)的裝訂等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試設(shè)備(USB測(cè)試盒和LXI測(cè)試盒)硬件設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及LXI和USB總線等技術(shù),以通用筆記本為核心控制器,輔以由4個(gè)程控電源、以太網(wǎng)交換機(jī)、多根網(wǎng)線等組成LXI測(cè)試盒1(單獨(dú)的結(jié)構(gòu)箱體),由USB-HUB、USB CAN通信板、USB RS232通信板、USB RS422通信板、USB視頻采集板、USB模擬采集板、串口繼電器板、信號(hào)調(diào)理板(模擬信號(hào)調(diào)理)等組成USB測(cè)試盒2(獨(dú)立的結(jié)構(gòu)箱體)共同構(gòu)建測(cè)試設(shè)備,系統(tǒng)的硬件框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 測(cè)試設(shè)備硬件原理框圖

本系統(tǒng)中筆記本采用高性能加固筆記本,采用神基公司的Getac S410筆記本,筆記本通過千兆網(wǎng)線控制LXI測(cè)試盒1中的4個(gè)程控電源,通過USB3.0線纜控制USB測(cè)試盒2中的所有硬件。LXI測(cè)試盒1中的電源選用固緯公司的PSW系列8027程控直流電源,該電源支持以太網(wǎng)程控接口等,電源用于導(dǎo)彈地面供電、模擬熱電池供電等,以太網(wǎng)交換機(jī)選用普聯(lián)公司的五端口千兆以太網(wǎng)TP-Link TL-SG1005D交換機(jī);USB測(cè)試盒2中的USB-HUB選用工業(yè)級(jí)的八端口百兆USB3.0HUB,該HUB需要適配器供電工作,USB CAN通信板選用周立功致遠(yuǎn)電子公司的2路高性能USB CAN通信板USB CAN-2E-U,支持波特率125 kbps～1 Mbps,該板用于與導(dǎo)彈發(fā)射擊發(fā)前的通信;USB RS232通信板選用摩莎公司的單路高性能RS232串口通信卡Port1110,支持多個(gè)波特率傳輸速度,該板用于與串口繼電器板通信指令交互來控制繼電器的通斷等;USB RS422通信板選用摩莎公司的多路高性能RS422串口通信卡Port1650,支持多個(gè)波特率傳輸速度,該板用于對(duì)車載圖傳、目標(biāo)模擬器、衛(wèi)星模擬器的通信,以及采集彈上多路RS422信號(hào)的數(shù)據(jù);USB視頻采集板選用工業(yè)級(jí)EasierCap視頻采集板,盒內(nèi)裝了2個(gè)視頻采集板,一塊采集彈上視頻,一塊采集車載圖傳輸出的視頻;USB模擬采集板選用阿爾泰科技公司的USB總線的模擬采集板USB 3136,該板支持16通道模擬量采集,采樣率達(dá)500 ksps,量程達(dá)±10 V,該板用于采集彈上輸出的各種模擬信號(hào);串口繼電器板采用工業(yè)級(jí)RS232串口控制的8路繼電器板,該板用于供電輸出、通斷控制;信號(hào)調(diào)理板用于信號(hào)的分壓、濾波、跟隨等調(diào)理,它與模擬采集板和導(dǎo)彈連接,用于一些彈上超過±10 V量程的信號(hào)調(diào)理、采集等。

2.2 復(fù)合目標(biāo)模擬器

復(fù)合目標(biāo)模擬器由光源控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等構(gòu)成。光源控制系統(tǒng)包括黑體溫控、可見光以及激光控制電路、電源電路、串口通信控制電路等,可以控制光源的開啟關(guān)閉等;光學(xué)系統(tǒng)包含了光闌組件、復(fù)合光源及光路等,用于輸出可見光、紅外光以及激光光源。其組成示意圖如圖3所示。

圖3 符合目標(biāo)模擬器組成示意圖

圖4 測(cè)試系統(tǒng)主軟件架構(gòu)圖

使用時(shí),其放置在三腳架上,對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭光軸,導(dǎo)彈擊發(fā)后測(cè)試設(shè)備與復(fù)合模擬器通信,控制其在一定時(shí)刻輸出不同的光源,驗(yàn)證導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的跟蹤性等。

2.3 車載圖傳

車載圖傳裝置由車載圖傳、車載天線組件和車載射頻電纜組件組成,其和導(dǎo)彈上的彈載圖傳實(shí)現(xiàn)雙向通信,它通過圖傳測(cè)試電纜與測(cè)試設(shè)備連接。

使用時(shí),測(cè)試設(shè)備與車載圖傳進(jìn)行串口通信,導(dǎo)彈擊發(fā)后,測(cè)試設(shè)備通過通信指令交互控制導(dǎo)彈的各種參數(shù)變化等,包括導(dǎo)引頭的光軸、波門、鎖定等各種指令。

2.4 衛(wèi)星模擬器

衛(wèi)星模擬器由模擬應(yīng)答機(jī)和姿態(tài)軌道仿真器、通信控制電路、電源電路等組成[5],其和導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備通過串口線纜連接。

使用時(shí),測(cè)試設(shè)備與它進(jìn)行串口通信,用于導(dǎo)彈擊發(fā)前的星歷數(shù)據(jù)的串口通信傳輸、導(dǎo)彈擊發(fā)后導(dǎo)彈的導(dǎo)航星歷數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)取?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件用來完成產(chǎn)品的測(cè)試流程控制、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理后給出測(cè)試分析結(jié)果以及數(shù)據(jù)后期處理等功能[6]。

3.1 開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行平臺(tái)

本文測(cè)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行在Windows 10操作系統(tǒng)上,使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境開發(fā)本文軟件。LabVIEW是美國(guó)NI公司設(shè)計(jì)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái),它是圖形化編程語言[7],在工控測(cè)試領(lǐng)域具有編程效率高、通用性好、可嵌入C和MATLAB等代碼特點(diǎn)[8]。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主軟件編程框架是采用多線程編程技術(shù)和多個(gè)高級(jí)狀態(tài)機(jī)JKI架構(gòu)[9],軟件采用了導(dǎo)彈通信等流程主測(cè)程序線程、與車載圖傳通信線程、用戶界面事件處理線程、計(jì)時(shí)線程等4個(gè)線程架構(gòu)技術(shù),主測(cè)程序線程主要實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈擊發(fā)前自動(dòng)測(cè)試的流程和狀態(tài),車載圖傳通信線程主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備與車載圖傳通信的自動(dòng)控制流程,用戶界面事件處理線程主要用于實(shí)現(xiàn)用戶界面事件處理、測(cè)試條件選擇配置、參數(shù)輸入修改等,計(jì)時(shí)線程主要用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈上電和擊發(fā)后計(jì)時(shí)等功能,其中導(dǎo)彈通信等流程主測(cè)程序線程(空閑態(tài)、自檢態(tài)、配置態(tài)、自動(dòng)測(cè)試流程態(tài)、各步驟手動(dòng)態(tài)、退出態(tài)等)、與車載圖傳通信線程(空閑態(tài)、自檢態(tài)、自動(dòng)通信測(cè)試態(tài)、退出態(tài))內(nèi)部采用JKI高級(jí)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu),軟件架構(gòu)圖如4所示。

測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析軟件采用生產(chǎn)者循環(huán)線程、消費(fèi)者循環(huán)、用戶界面事件、圖像采集線程等4個(gè)線程架構(gòu),生產(chǎn)者循環(huán)(空閑態(tài)、采集態(tài)、配置態(tài)、通信態(tài)、退出態(tài))采用普通狀態(tài)機(jī)架構(gòu)編程,主要與主測(cè)軟件通信實(shí)現(xiàn)采集的自動(dòng)啟停控制、采集參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)采集后入隊(duì)列等,消費(fèi)者循環(huán)主要實(shí)現(xiàn)各數(shù)字量數(shù)據(jù)出隊(duì)列與文件存儲(chǔ)、模擬量文件采集存儲(chǔ)功能,用戶界面事件處理線程主要用于實(shí)現(xiàn)用戶界面事件處理、采集參數(shù)配置選擇、采集數(shù)據(jù)回放畫圖、數(shù)據(jù)分析、給出結(jié)果報(bào)表等,圖像采集線程主要實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集、圖像字符疊加和存儲(chǔ)等,軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析軟件架構(gòu)圖

3.3 測(cè)試流程

測(cè)試開始時(shí),設(shè)備應(yīng)先完成自檢成功,如程控電源電壓符合要求、CAN通信板連接正常、RS422通信板連接、繼電器板連接正常、模擬采集板數(shù)據(jù)誤差符合要求、復(fù)合目標(biāo)模擬器與測(cè)試設(shè)備通信正常、視頻采集板正常工作等,設(shè)備自檢合格后才能對(duì)被測(cè)彈上電測(cè)試,導(dǎo)彈上電自檢正常后,因?yàn)楸粶y(cè)彈有7個(gè)測(cè)試條件,需要依次選擇不同的測(cè)試條件和多個(gè)不同的輸入導(dǎo)彈參數(shù),選擇和配置好測(cè)試條件和參數(shù)后,導(dǎo)彈方可進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試流程(裝訂星歷、對(duì)準(zhǔn)、選彈、諸元裝訂、擊發(fā)、時(shí)序上電或其他操作、向車載圖傳發(fā)各種順序測(cè)試指令、與模擬器發(fā)指令等),同時(shí)進(jìn)行所有的彈上數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ),導(dǎo)彈斷電后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)文件解析、計(jì)算和分析,并根據(jù)計(jì)算與反算分析結(jié)果給出每一個(gè)部件的每一個(gè)復(fù)雜參數(shù)的合格結(jié)果報(bào)告。軟件的測(cè)試流程圖如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)軟件流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與研究

反坦克導(dǎo)彈測(cè)試時(shí),將反坦克導(dǎo)彈通過測(cè)試彈尾線纜、彈測(cè)試口線纜與測(cè)試系統(tǒng)(筆記本、USB測(cè)試盒和LXI測(cè)試盒、復(fù)合目標(biāo)模擬器、衛(wèi)星模擬器等)連接(見圖1),測(cè)試條件包含低溫、高溫、溫度循環(huán)、振動(dòng)篩選測(cè)試、出廠測(cè)試、靶場(chǎng)測(cè)試等條件,其中被測(cè)彈放置在高低溫箱、振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、彈藥防爆庫房、靶場(chǎng)陣地等。測(cè)試系統(tǒng)自檢與導(dǎo)彈自檢正常后,選擇測(cè)試條件后,進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試流程(裝訂星歷、對(duì)準(zhǔn)、選彈、諸元裝訂、擊發(fā)、向車載圖傳發(fā)送操控導(dǎo)引頭的指令等),同時(shí)進(jìn)行所有的彈上數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ),導(dǎo)彈斷電后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)文件解析、計(jì)算(含反算)和分析等。

測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表(見表1)主要由各個(gè)彈部件測(cè)試物理參數(shù)的理論范圍、實(shí)測(cè)值以及判讀結(jié)果構(gòu)成。某一次的測(cè)試數(shù)據(jù)某一參數(shù)的計(jì)算分析繪制圖如圖7所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表

圖7 點(diǎn)火1的電壓-時(shí)間數(shù)據(jù)圖

經(jīng)過多個(gè)階段的產(chǎn)品的多次不同測(cè)試聯(lián)試證明,研制的測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)Ρ粶y(cè)某反坦克導(dǎo)彈的總體功能、性能進(jìn)行系統(tǒng)性與各子部件級(jí)(飛控、導(dǎo)引頭、引信、圖傳、慣導(dǎo)衛(wèi)星等)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與考核。在多個(gè)階段不同被測(cè)彈的測(cè)試過程中,查找和排除了被測(cè)彈的設(shè)計(jì)中的多個(gè)軟件和硬件錯(cuò)誤,提出更改被測(cè)彈的軟件錯(cuò)誤,并為系統(tǒng)的各部件級(jí)排除和定位故障。經(jīng)多輪產(chǎn)品驗(yàn)證,系統(tǒng)軟件測(cè)試時(shí)間耗時(shí)短,自動(dòng)化效率高,數(shù)據(jù)分析和判讀效率高于人工判讀效率,能夠滿足各部件多個(gè)指標(biāo)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求,提高了總體設(shè)計(jì)驗(yàn)證的效率。

5 結(jié)語

本文研制設(shè)計(jì)了基于LXI和USB的某反坦克導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng),并用串行總線連接了其他輔助測(cè)試組件與設(shè)備,組成了一個(gè)系統(tǒng)完整的某反坦克導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng),高效完成了某反坦克導(dǎo)彈的多個(gè)生命周期的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試工作。該系統(tǒng)對(duì)被測(cè)彈的所有工作時(shí)序流程進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試,采集信號(hào)包涵了被測(cè)彈的全部信號(hào),完成了導(dǎo)彈各階段的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試工作。同時(shí)研制的設(shè)備結(jié)構(gòu)小型化,重量輕,自動(dòng)化程度高,操作簡(jiǎn)單,軟件與硬件使用了模塊化、通用化的設(shè)計(jì)思想,修改升級(jí)維護(hù)方便。它的研制成功提高了某反坦克導(dǎo)彈的測(cè)試效率和合格率,并對(duì)反坦克導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)具有重要的意義。